2010年10月，NASA太空望遠鏡拍攝到一顆巨大的超新星，它的光芒被數(shù)百年前自身爆炸產(chǎn)生的灰塵和氣體遮掩

    1、獲2011年諾貝爾物理學(xué)獎

    2、哈勃定律與微波背景輻射

    3、超新星：宇宙膨脹的“燭光指示器”

    4、暗能量：宇宙加速膨脹的驅(qū)動力

    4、宇宙學(xué)常數(shù)的沉浮

    獲2011年諾貝爾物理學(xué)獎

    當(dāng)?shù)貢r間10月4日11時45分，2011年諾貝爾物理學(xué)獎在瑞典首都斯德哥爾摩揭曉，美國科學(xué)家索爾·珀爾馬特、擁有美國和澳大利亞雙重國籍的科學(xué)家布賴恩·施密特以及美國科學(xué)家亞當(dāng)·里斯，以他們在天體物理學(xué)方面的卓越研究成果獲此殊榮。諾貝爾物理學(xué)獎評選委員會表示，今年諾貝爾物理學(xué)獎得主的成就“與整個宇宙相關(guān)”，這三位獲獎?wù)摺把芯繋资w處于爆炸狀態(tài)的恒星、即‘超新星’，發(fā)現(xiàn)宇宙正在擴張過程中，擴張速率不斷加速”。

　　盡管科學(xué)家在將近一個世紀(jì)前便知曉宇宙正在膨脹，但諾貝爾物理學(xué)獎評選委員仍用“令人震驚”來形容三位獲獎?wù)哧P(guān)于宇宙加速膨脹的發(fā)現(xiàn)。評委會聲明，他們的研究成果震動了宇宙學(xué)理論基礎(chǔ)，宇宙在很大程度上依然充滿未知數(shù)。

    哈勃定律與微波背景輻射

    1929年，埃德溫·哈勃在使用望遠鏡對星系進行大量觀測的基礎(chǔ)上，獲得了一項改變歷史的重大發(fā)現(xiàn)。這就是，宇宙中的星系都在遠離我們而去；離我們越遠的星系，背離我們向遠處運動的速度越快。這個事實，現(xiàn)在稱為“哈勃定律”。

　　憑什么說星系在遠離我們而去呢？直接的證據(jù)就是光譜的紅移。光也是一種波，同聲波一樣，也有多普勒效應(yīng)。天體朝向地球運動，它發(fā)出的光的波長變短；背離地球運動，光的波長變長。不同的波長對應(yīng)不同的顏色。光的波長變長，顏色向紅色一端偏移；波長變短，顏色向藍色一端偏移。前者被稱為“紅移”，后者被稱為“藍移”。

　　在實際觀測中，星系的光譜上夾雜有好些暗線，稱為吸收譜線，它們是天體所含有的各種元素吸收了對應(yīng)位置的色光所留下的空缺。我們知道，每種元素都有各自的特征譜線，天文學(xué)家把觀測得到的某個天體的光譜與標(biāo)準(zhǔn)光譜進行對比，不難發(fā)現(xiàn)某種元素的吸收譜線與其本來應(yīng)該在的標(biāo)準(zhǔn)位置的偏移，從而根據(jù)多普勒效應(yīng)推斷出該天體的運動速度。哈勃測量的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，遠處星系的吸收譜線普遍向紅端偏移，而且越遠的星系紅移量越大，也就是說遠離我們的速度就越大。

　　哈勃定律向我們表明，“宇宙正在膨脹”！

　　利用現(xiàn)代望遠鏡，天文學(xué)家已經(jīng)觀測到了遠在100億光年之外的遙遠星系。觀測資料表明，即使如此遙遠的星系，它們也在背離我們的銀河系迅速遠去。

    今天人們耳熟能詳?shù)挠钪娲蟊ɡ碚?，最初其實并未引起關(guān)注。直到1964年，美國貝爾實驗室的兩位天文學(xué)家阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜發(fā)現(xiàn)了微波背景輻射才名聲大振。他們當(dāng)時正在測試一架衛(wèi)星接收天線，結(jié)果探測到一種干擾測試的微波噪音，無論把天線指向天空的什么方向都排除不掉這種噪音。后來，兩人知道這就是宇宙背景輻射。由于這一發(fā)現(xiàn)，兩人獲得了1978年度諾貝爾物理學(xué)獎?；艚鹬赋?，電視在切換頻道時看到的雪花，百分之幾就歸因于宇宙微波背景。

　　為了確認這一發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家對這種輻射的譜分布和方向進行了大規(guī)模的調(diào)查，分別在地面上對70厘米波長到毫米波的不同波段進行測量。2001年美國宇航局發(fā)射了威爾金森各向異性探測衛(wèi)星（WMAP），對微波背景輻射進行了精確的測定，并得出微波背景是宇宙大爆炸后38萬年的余輝。

　　那么，宇宙微波背景輻射是怎么回事呢？大爆炸宇宙論預(yù)言，初期宇宙處在灼熱狀態(tài)，當(dāng)時的宇宙一定充滿了光。因為，當(dāng)初充滿宇宙的那種包含了氫原子核、氦原子核和電子的氣體具有非常高的溫度，必然要發(fā)出顏色同其溫度相對應(yīng)的光。但隨著膨脹，宇宙逐漸冷卻下來。在宇宙誕生38萬年以后，宇宙溫度到達3000K左右，那些分散的原子核和電子被靜電力結(jié)合在一起，開始形成原子。在原子誕生之前，受到到處飛舞的電子的阻擋，光無法沿直線徑直行進。但是在原子誕生出來之后，光就可以沿直線行進了。那時候的光今天仍然應(yīng)該在宇宙空間沿直線繼續(xù)行進。在空間傳播的光波，即電磁波，其波長會隨著宇宙的膨脹而被拉長。那時的光到了現(xiàn)在，已經(jīng)變成了波長相當(dāng)長的光，即變成了“微波”，這就是宇宙背景輻射。

     超新星：宇宙膨脹的“燭光指示器”

     進入20世紀(jì)80年代中期，天文學(xué)家們才發(fā)現(xiàn)Ia型超新星是遙遠星系的絕佳距離指示器。

　　 超新星可以理解為恒星演化到晚期的“回光返照”——恒星死亡之前的突然增亮。根據(jù)前身恒星質(zhì)量的不同，宇宙中的超新星可以分為兩類：一種是大質(zhì)量恒星演化到晚期，核塌縮導(dǎo)致整個星體在短時間內(nèi)爆炸，使得星體的亮度短時間內(nèi)可達到十億甚至百億個太陽的亮度。這類超新星被稱作“II型超新星”，但是他們的光度差異很大，不能用做距離的指示器。另一種是中、小質(zhì)量的恒星在燃盡核區(qū)燃料后，變成白矮星。當(dāng)白矮星周圍有一個伴星時，白矮星將把其伴星的物質(zhì)吸引和累積在其表面，到一定程度（即質(zhì)量上限，約為1.44倍太陽質(zhì)量）后發(fā)生核爆炸。這類超新星被稱為“Ia型超新星”。因白矮星有1.44倍太陽質(zhì)量上限，白矮星發(fā)生超新星爆炸時大多都比較接近這個質(zhì)量，所以它們爆炸前的燃燒物質(zhì)基本一樣多，燃燒發(fā)出的光度基本也一樣。

　　既然所有的“Ia型超新星”的光度相等，那么根據(jù)觀測到的一顆“Ia型超新星”的視亮度，就可以推測它到地球的距離。就像一支蠟燭放在離觀察者不同距離的地方，它們的亮度會不一樣。離觀察者近，看上去亮；離觀察者遠，看上去暗。這樣就可以通過觀測它的亮度來計算蠟燭的距離。

    另一方面，科學(xué)家還可以觀測到這些“Ia型超新星”的光譜，從中測出超新星的光譜中某些譜線的移動量，即天文中所說的“紅移”。把測到的超新星的紅移和距離一一對應(yīng)起來，可以畫出所謂的哈勃圖，不同的宇宙學(xué)模型的哈勃圖是不一樣的，因此用這種辦法，可以了解宇宙到底是什么樣的。

　　有了珀爾馬特、施密特和里斯所屬的研究小組發(fā)現(xiàn)，超過50顆超新星所顯現(xiàn)的光度比先前預(yù)期暗淡。這一研究發(fā)現(xiàn)可以顯示出宇宙正在加速擴張——

　　首先假定宇宙在勻速膨脹，我們可以根據(jù)宇宙學(xué)模型算出一個距離d0。

　　如果宇宙減速膨脹，即膨脹越來越慢，那么超新星與我們的距離應(yīng)該是d1，且d1

　　如果宇宙在加速膨脹，超新星被所在星系裹挾著，以越來越快的速度相互遠離，地球觀測者到超新星的距離記作d2，且有d2>d0。這樣相當(dāng)于把一支蠟燭放得更遠，它會顯得更暗。

　　所以發(fā)現(xiàn)超新星光度比勻速膨脹宇宙模型顯得暗淡，說明星系和其內(nèi)部的超新星以越來越快的速度相互遠離，宇宙膨脹在加速。

　　暗能量：宇宙加速膨脹的驅(qū)動力

　　根據(jù)已知的萬有引力論，人們一直認為“宇宙正在減速膨脹”，并在到達膨脹極限后反向“濃縮”。因此今年獲諾貝爾獎的的兩個研究團隊，本來只是想了解宇宙最終“濃縮”后的結(jié)果，會導(dǎo)致怎樣一種消亡。

    然而他們在研究中發(fā)現(xiàn)，宇宙膨脹不僅正在加速，而且已經(jīng)偷偷加速了幾十億年。這種加速如今被認為是由某種“暗能量”驅(qū)動的。這種“暗能量”起初只占宇宙的一小部分，但隨著宇宙物質(zhì)在宇宙膨脹過程中逐漸被稀釋，這種暗能量如今已占據(jù)了宇宙成分總含量超過70%。它的本質(zhì)卻仍然是謎，或許仍是當(dāng)今物理學(xué)面臨的最大謎題。

　　科學(xué)家認為，這種“暗能量”一定來自于一種能夠產(chǎn)生斥力的物質(zhì)。也許，它可能根本就不是常數(shù)，會隨時間變化。又或許一種未知的力場只是偶爾產(chǎn)生了暗能量。

　　但因為“暗能量”仍在逐漸“強大”，預(yù)言宇宙未來會如何，成了一件不可能完成的任務(wù)。也許膨脹永遠加速下去，未來將是一望無際的黑暗和孤獨，宇宙將在不斷加速的膨脹中逐漸變得冰冷與死寂。也許時空逐漸扭曲，就連原子都不能避免被撕碎的命運。

     “宇宙學(xué)常數(shù)”的沉浮

    宇宙學(xué)常數(shù)（cosmological constant）由愛因斯坦首先提出，代表著愛因斯坦對靜態(tài)宇宙的哲學(xué)信念。然而膨脹宇宙的天文觀測結(jié)果，讓人們認識到宇宙不是靜止的。晚年時的愛因斯坦曾把“宇宙學(xué)常數(shù)”的引入，說成是他“一生中最大的失誤”。

　  當(dāng)哈勃得意洋洋地將膨脹宇宙的天文觀測結(jié)果展示給愛因斯坦看時，這位常常被稱作“孤獨的人”的偉大的科學(xué)家慚愧極了。他不會知道的是，一代代科學(xué)家們?nèi)栽谧巫尾痪氲匮芯窟@一“反引力的固定數(shù)值”，并在探索中漸漸明白，為什么愛因斯坦如此鐘愛這個理論；而今，宇宙常數(shù)依然是當(dāng)今物理學(xué)最大的疑問之一。

　　2011年獲得諾貝爾物理學(xué)獎的珀爾馬特、施密特和里斯在對超新星的觀測中，表明宇宙在加速膨脹，宇宙確實存在一種使得宇宙膨脹不斷加速的斥力，而“宇宙學(xué)常數(shù)”代表的斥力項仍然是有意義的。歷史的戲劇性，在“哈勃定律”問世80多年后又證明了愛因斯坦的“倔強”沒有錯。